Geçici Beyin Sinyallerini Yakalayan Yüksek Hızlı Mikroskop

Elektrik ve kimyasal sinyaller, dünya üzerinde hareket ettikçe beynimiz boyunca sürekli yanıp sönüyor, ancak geçici yollarını yakalamak için yüksek hızlı bir kamera ve beynin içine bir pencere gerekmektedir. Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley, araştırmacıları şimdi böyle bir kamera yaptılar ve bu kamera saniyede 1.000 kez bir uyarı faresinin beynini görüntüleyebilen ve ilk kez milisaniyelik elektriksel darbelerin nöronlardan geçişini kaydeden bir mikroskop. UC Berkeley fizik, moleküler ve hücre biyolojisi profesörü ve baş araştırmacısı olan Na Ji, bunun gerçekten heyecan verici olduğunu çünkü artık insanların daha önce yapamadığı bir şey yapabildiklerini belirtmiştir.

Yeni görüntüleme tekniği, iki-boyutlu bir floresan mikroskopisini ve tüm optik lazer taramayı, fare beyninin neokorteksinden iki boyutlu bir dilimi saniyede 3.000 defa görüntüleyebilen son teknoloji ürünü bir mikroskopta birleştirir ve bu da, beyin devrelerinden akan elektrik sinyallerini izlemek için yeterince hızlıdır. Bu teknikle, Ji gibi nörobilimcilere artık beyne elektrik sinyallerini yayıldıkça ve sonuçta hastalıkla ilişkili iletim problemlerini ararken izleyebilme imkanı sunmaktadır. Tekniğin önemli bir avantajı, sinirbilimcilerin, hücrenin ateşlenmesini tetiklemeyenler de dahil olmak üzere, herhangi bir beyin hücresinin diğer beyin hücrelerinden aldığı yüzlerce ila on binlerce girişi izlemesine izin vermesidir. Heyecan verici olan nöronu inhibe eden bu alt eşik girişleri, yavaş yavaş hücreyi bir eylem potansiyeli ateşlemek için tetikleyen ve bilgiyi diğer nöronlara ileten bir kreşendoya eklemektedir.

İki Fotonlu Floresan Mikroskopinin Özellikleri

Beyindeki elektriksel ateşlemenin dokuya gömülü elektrotlar yoluyla kaydedilmesi için tipik yöntem, milisaniye voltaj değişiklikleri geçtikçe sadece birkaç nörondan gelen bipleri algılamaktadır. Yeni teknik ise, gerçek ateşleme nöronunu saptayarak milisaniye tarafından milisaniye cinsinden sinyalin yolunu izleyebilmektedir. UC Berkeley'den Helen Wills Sinirbilim Enstitüsü üyesi Ji, hastalıklarda, tüm alt eşik olayları gibi nöronların ateşlendiğini görmeden önce bile birçok şey olduğunu eşik altı girdisi ile bir hastalığın nasıl değişeceğine hiç bakmadıklarını ama şimdi, bunu ele almak için bir kollarının var olduğunu ifade etmiştir. Ji ve meslektaşları, Nature Methods dergisinin Mart sayısında yeni görüntüleme tekniğini bildirmişler ve aynı zamanda fare beyninin tüm yarımküresinin çoğunda, iki fotonlu geniş alanlı bir "mezoskop" kullanan bir kalsiyum sinyalini görüntüleme ve Bessel odak taraması için farklı bir teknik gösteren bir makale yayınlamışlardır. Kalsiyum konsantrasyonları, sinyaller beyin yoluyla iletilirken voltaj değişiklikleriyle de bağlantılıdır. Ji ve ekibi, nöronlar boyunca kalsiyum hareketinin hızlı 3D görüntülerini elde etmek için, iki fotonlu floresan mikroskopiyi farklı bir teknik olan Bessel odak taramasıyla birleştirdi. Neokorteksin her mikronthick katmanının zaman alıcı taramalarını önlemek için, iki foton lazerin uyarma odağı, bir noktadan yaklaşık 100 mikron uzunluğunda bir kalem gibi küçük bir silindire şekillendirilir. Bu kalem ışını daha sonra beyinden altı farklı derinlikte taranır ve floresan görüntüler bir 3Dvimage oluşturmak için birleştirilir. Bu, az miktarda bilgi kaybıyla daha hızlı taramayı mümkün kılar, çünkü her bir kalem benzeri hacimde, tipik olarak her zaman sadece bir nöron aktiftir. Mezoskop, yaklaşık 5 mm çapında (fare beyninin bir yarım küresinin yaklaşık dörtte biri) ve karmaşık bilgi işlemede yer alan neokorteksin tüm derinliğine yakın 650 mikron derinliğinde bir alanı görüntüleyebilmektedir.